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機械工学年鑑2020
-機械工学の最新動向-

15. 加工学・加工機器

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章内目次

15.1 概論
15.2 切削加工
15.3 研削・研磨加工
15.4 電気・化学加工
15.5 エネルギービーム加工
15.6 工作機械
15.7 工具および工作機器
15.8 加工計測

 


15.1 概論

 日本工作機械工業会によると2019年の日本国内工作機械メーカーの受注総額は,1兆2299億円であり,過去最高だった2018年の1兆8158億円に対し32.3%減となった.米中貿易摩擦による世界経済の先行きの不透明感から企業が設備投資を控えたこと,自動車関連需要が低迷したことなどが影響したとみられ,さらに新型コロナウィルスの感染拡大により企業の設備投資抑制が継続すると見込まれることから,依然として厳しい受注環境は継続するものと予想される.

 しかしながら,5G(第5世代移動通信システム)関連向けの半導体業界の設備投資や人手不足に伴う省人化・自動化のための設備需要などが今後期待されており,より高付加価値な工作機械やオペレータの作業時間を短縮し作業工程数を削減できる工作機械などへの要求が高まるものと予想される.

 このような状況の下,ドイツのIndustrie4.0など,IoTやAIを活用したスマートファクトリーの実現に向けた取り組みと,それを支える知能化された工作機械とその要素技術の開発,さらには難削材の加工やギヤスカイビング加工など,加工の高度化を狙った技術開発が引き続き進められていくことが期待される.

 また,近年高い注目を集めている付加製造(Additive Manufacturing)は,製造時間が長い,使える材料が限られる,自動化が不十分であるなどの問題が徐々に解消されてきており,次第に生産プロセスに組み込まれつつある.特に,金属3Dプリンターに関する技術開発が盛んに行われており,現状での適用先は,試作品や見本品の製作が主流であるものの,航空機,ロケット,医療機器などを中心に実部品としての適用が進みつつあり,今後,さらなる適用先の拡大が期待される.

 スマートファクトリーの実現に向けては,生産加工におけるデジタルツインの活用やオペレータの介在なしに工作機械が自律的にプロセスを改善していくシステムの開発なども提案されており,今後,産官学の連携の元,さらなる研究開発を期待したい.

〔後藤 崇之 三菱重工工作機械(株)〕

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15.2 切削加工

 本節では2019年に国内外の主な学術誌に掲載された切削加工に関する論文について述べる.対象とした学術誌は10誌で,この中で切削加工に関する論文は170編であった.掲載論文数の内訳は表2-1に示すとおりであり,本会論文集に4編,英文のJ. Adv. Mech. Des. Sys. and Manuf.に3編,精密工学会誌に10編,砥粒加工学会誌に5編,Prec. Eng.とInt. J. Mach. Tools and Manuf.にそれぞれ30編,Wearに25編,J. Mater. Process. Technol.とJ. Manuf. Sci. Eng.にそれぞれ22編,CIRP Annalsに19編である.また,これらの論文の中で英語で執筆された154編の論文において,筆頭著者の所属機関を国別にまとめると,全24ヵ国の中で上位5ヵ国は中国(56編),日本(11編),カナダ(10編),米国(9編),英国(9編)であり,中国の研究機関に係る論文数が突出している.

 図2-1に上記の全対象論文(170編)において取り扱われていた加工法の割合を示す.概ねフライスが4割,旋削が3割,ドリルが1割程度である.また,加工形態を単純化するための2次元切削も1割程度であり,その他としてターンミリング,歯切りねじ切り加工などの加工法をまとめて1割程度である.

 上記170編の論文のキーワード欄に着目し,2019年の掲載論文の概況について述べる.

 「vibration」をキーワードとして挙げた論文は27編あり,その多くは,振動を積極活用した加工法に関する論文である.これらの論文では,硬脆材,チタン合金,FRPなどの難削材に対する適用(1)-(6)フライス加工でのびびり安定性の向上(7)(8)ドリル加工でのバリ抑制(9)旋削フライス加工により被加工面にテクスチャを形成させるテクスチャリング技術(10)-(14),酸素雰囲気とすることによるダイヤモンド工具の摩耗抑制(15),小径深穴ドリルにおける切りくず切断と排出作用の向上(16)など,様々な振動の積極活用に関する取り組みがなされている.

 「laser」を挙げた論文は12編あり,レーザ光を切削加工点近傍に照射することで,上記の超音波援用加工と同様に,難削材の安定切削を目指した研究(17)-(20)レーザにより切削工具切れ刃近傍に表面テクスチャを設けることで,切削性能の向上を目指した研究(21)-(23)が主である.

 「ultraprecision」を挙げた論文は9編あり,超精密加工のための多刃工具工具位置合わせ(24)や機能性表面の創成(25),純チタンの微小変形挙動(26),ジルコニアの切りくず生成機構(27)などに関する取り組みがある.

 その他にも,低剛性工作物への対策として薄肉部(thin-wall)の切削に関する研究(28)-(30)難削材加工時の熱的問題への対策として極低温加工(cryogenic machining)に関する研究(31)-(35),環境負荷軽減と効率的切削油剤供給を目的とした微少量油潤滑(minimum quantity lubrication,MQL)に関する研究(36)-(38)などが複数報告されている.

表2-1 学術誌名と切削加工に関する掲載論文数(2019年)

図2-1 対象加工法の割合

〔岡田 将人 福井大学〕

参考文献

(1)米山陽, 清水毅, 石黒輝雄, 佐野正明, 石井孝明, 超音波援用によるガラスの小径ドリル加工に関する研究, 砥粒加工学会誌, Vol.69, No.4 (2019), pp.180-190. DOI: 10.11420/jsat.63.185.
(2)Guang Chen, Chengzu Ren, Yunhe Zou, Xuda Qin, Lianpeng Lu, Shipeng Li, Mechanism for material removal in ultrasonic vibration helical milling of Ti6Al4V alloy, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.138 (2019), 1-13. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2018.11.001.
(3)Haojun Yang, Wenfeng Ding, Yan Chen, Sylvain Laporte, Jiuhua Xu, Yucan Fu, Drilling force model for forced low frequency vibration assisted drilling of Ti-6Al-4V titanium alloy, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.146 (2019). DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2019.103438.
(4)Jian Gao, Xiaoliang Jin, Effects of Ultrasonic Vibration Assistance on Chip Formation Mechanism in Cutting of Ti–6Al–4V, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol.141, No.12 (2019). DOI: 10.1115/1.4045129.
(5)Weixing Xu, Liangchi Zhang, Heat effect on the material removal in the machining of fibre-reinforced polymer composites, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.140 (2019), pp.1-11. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2019.01.005.
(6)Chao Li, Jinyang Xu, Ming Chen, Qinglong An, Mohamed El Mansori, Fei Ren, Tool wear processes in low frequency vibration assisted drilling of CFRP/Ti6Al4V stacks with forced air-cooling, Wear, Vols.426–427, (2019), pp.1616-1623. DOI: 10.1016/j.wear.2019.01.005.
(7)Shaoke Wan, Xiaoliang Jin, Naresh Kumar Maroju, Jun Hong, Effect of vibration assistance on chatter stability in milling, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.145 (2019). DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2019.103432.
(8)Chenxi Wang, Xingwu Zhang, Jinxin Liu, Hongrui Cao, Xuefeng Chen, Adaptive vibration reshaping based milling chatter suppression, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.141 (2019), pp.30-35. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2019.04.001.
(9)田口恭輔, 吉原信人, 原圭祐, 水野雅裕, SUS316の超音波振動援用ドリル加工におけるバリ抑制効果, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.12, pp.624-629.
(10)Lida Zhu, Chenbing Ni, Zhichao Yang, Changfu Liu, Investigations of micro-textured surface generation mechanism and tribological properties in ultrasonic vibration-assisted milling of Ti–6Al–4V, Precision Engineering, Vol.57 (2019), pp.229-243. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2019.04.010.
(11)Jianguo Zhang, Junjie Zhang, Andreas Rosenkranz, Norikazu Suzuki, Eiji Shamoto, Frictional properties of surface textures fabricated on hardened steel by elliptical vibration diamond cutting, Precision Engineering, Vol.59 (2019), pp.66-72. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2019.06.001.
(12)Wanqun Chen, Lu Zheng, Wenkun Xie, Kai Yang, Dehong Huo, Modelling and experimental investigation on textured surface generation in vibration-assisted micro-milling, Journal of Materials Processing Technology, Vol.266 (2019), pp.339-350. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2018.11.011.
(13)Xianfu Liu, Debao Wu, Jianhua Zhang, Xiangyi Hu, Ping Cui, Analysis of surface texturing in radial ultrasonic vibration-assisted turning, Journal of Materials Processing Technology, Vol.267 (2019), pp.186-195. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2018.12.021.
(14)Lu Zheng, Wanqun Chen, Michele Pozzi, Xiangyu Teng, Dehong Huo, Modulation of surface wettability by vibration assisted milling, Precision Engineering, Vol.55 (2019), pp.179-188. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2018.09.006.
(15)XinQuan Zhang, Hui Deng, Kui Liu, Oxygen-shielded ultrasonic vibration cutting to suppress the chemical wear of diamond tools, CIRP Annals, Vol.68 (2019), pp.69-72. DOI: 10.1016/j.cirp.2019.04.026.
(16)Friedrich Bleicher, Manuel Reiter, Jens Brier, Increase of chip removal rate in single-lip deep hole drilling at small diameters by low-frequency vibration support, CIRP Annals, Vol.68 (2019), pp.93-96. DOI: 10.1016/j.cirp.2019.04.028.
(17)Sean M. Langan, Deepak Ravindra, Adrian B. Mann, Mitigation of damage during surface finishing of sapphire using laser-assisted machining, Precision Engineering, Vol.56 (2019), pp.1-7. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2018.08.012.
(18)Huawei Song, Jialun Li, Jinqi Dan, Guoqi Ren, Junfeng Xiao, Jianfeng Xu, Experimental analysis and evaluation of the cutting performance of tools in laser-assisted machining of fused silica, Precision Engineering, Vol.56 (2019), pp.191-202. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2018.11.014.
(19)Zhendong Shang, Zhirong Liao, Jon Ander Sarasua, John Billingham, Dragos Axinte, On modelling of laser assisted machining: Forward and inverse problems for heat placement control, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.138 (2019), pp.36-50. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2018.12.001.
(20)Mohamed G. Elkhateeb , Yung C. Shin, Investigation of the Machining Behavior of Ti6Al4V/TiC Composites During Conventional and Laser-Assisted Machining, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol.141, No.5 (2019). DOI: 10.1115/1.4042608.
(21)小河誉典, 片平和俊, 島田浩之, 山崎和雄, 青山英樹, ナノ多結晶ダイヤモンドエンドミルの超硬合金加工性とフェムト秒レーザによる工具成形, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.9 (2019), pp.470-477.
(22)Sarvesh Kumar Mishra, Sudarsan Ghosh, Sivanandam Aravindan, Performance of laser processed carbide tools for machining of Ti6Al4V alloys: A combined study on experimental and finite element analysis, Precision Engineering, Vol.56 (2019), pp.370-385. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2019.01.006.
(23)Sarvesh Kumar Mishra, Sudarsan Ghosh, Sivanandam Aravindan, Physical characterization and wear behavior of laser processed and PVD coated WC/Co in dry sliding and dry turning processes, Wear, Vols.428–429 (2019), pp. 93-110. DOI: 10.1016/j.wear.2019.03.008.
(24)Lars Schönemann, Oltmann Riemer, Thermo-mechanical tool setting mechanism for ultra-precision milling with multiple cutting edges, Precision Engineering, Vol.55 (2019), pp.171-178. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2018.09.003.
(25)Shaojian Zhang, Yuanping Zhou, Haijun Zhang, Zhiwen Xiong, Suet To, Advances in ultra-precision machining of micro-structured functional surfaces and their typical applications, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.142 (2019), pp.16-41. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2019.04.009.
(26)Zejia Zhao, Suet To, Jingwei Wang, Effects of grains and twins on deformation of commercial pure titanium in ultraprecision diamond turning, Journal of Materials Processing Technology, Vol.271 (2019), pp.10-22. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2019.03.018.
(27)Jiwang Yan, Takumi Okuuchi, Chip morphology and surface integrity in ultraprecision cutting of yttria-stabilized tetragonal zirconia polycrystal, CIRP Annals, Vol.68 (2019), pp.53-56. DOI: 10.1016/j.cirp.2019.04.050.
(28)F. Wang, X. Cheng, G.M. Zheng, X.H. Yang, Q.J. Guo, Q.L. Sun, Study of micromilling parameters and processes for thin wall fabrications, Precision Engineering, Vol.56 (2019), pp.246-254. DOI: 10.1016/j.precisioneng.2018.12.005.
(29)Xinzhi Wang, Zhoulong Li, Qingzhen Bi, Limin Zhu, Han Ding, An accelerated convergence approach for real-time deformation compensation in large thin-walled parts machining, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.142 (2019), pp.98-106. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2018.12.004.
(30)Min Wan, Ting-Qi Gao, Jia Feng, Wei-Hong Zhang, On improving chatter stability of thin-wall milling by prestressing, Journal of Materials Processing Technology, Vol.264 (2019), pp.32-44. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2018.08.042.
(31)Damir Grguraš, Luka Sterle, Peter Krajnik, Franci Pušavec, A novel cryogenic machining concept based on a lubricated liquid carbon dioxide, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.145 (2019). DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2019.103456.
(32)Franci Pušavec, Damir Grguraš, Matthias Koch, Peter Krajnik, Cooling capability of liquid nitrogen and carbon dioxide in cryogenic milling, CIRP Annals, Vol.68 (2019), pp.73-76. DOI: 10.1016/j.cirp.2019.03.016.
(33)Ahmed Damir, Bin Shi, M. Helmi Attia, Flow characteristics of optimized hybrid cryogenic-minimum quantity lubrication cooling in machining of aerospace materials, CIRP Annals, Vol.68 (2019), pp.77-80. DOI: 10.1016/j.cirp.2019.04.047.
(34)N.H.A. Halim, C.H.C. Haron, J.A. Ghani, M.F. Azhar, Tool wear and chip morphology in high-speed milling of hardened Inconel 718 under dry and cryogenic CO2 conditions, Wear, Vols.426–427 (2019), pp.1683-1690. DOI: 10.1016/j.wear.2019.01.095.
(35)Bin Shi , Ahmed Elsayed , Ahmed Damir , Helmi Attia , Rachid M’Saoubi, A Hybrid Modeling Approach for Characterization and Simulation of Cryogenic Machining of Ti–6Al–4V Alloy, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol.141, No.2 (2019). DOI: 10.1115/1.4042307.
(36)Dinh Nguyen , Phi-Ho Lee , Yang Guo , Kyung-Hee Park , Patrick Kwon, Wear Performance Evaluation of Minimum Quantity Lubrication With Exfoliated Graphite Nanoplatelets in Turning Titanium Alloy, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol.141, No.8 (2019). DOI: 10.1115/1.4043899.
(37)Armando Marques, Mauro Paipa Suarez, Wisley Falco Sales, Álisson Rocha Machado, Turning of Inconel 718 with whisker-reinforced ceramic tools applying vegetable-based cutting fluid mixed with solid lubricants by MQL, Journal of Materials Processing Technology, Vol.266 (2019), pp.530-543. DOI: 10.1016/j.jmatprotec.2018.11.032.
(38)Krystian K. Wika, Przemyslaw Litwa, Carl Hitchens, Impact of supercritical carbon dioxide cooling with Minimum Quantity Lubrication on tool wear and surface integrity in the milling of AISI 304L stainless steel, Wear, Vols.426–427 (2019), pp.1691-1701. DOI: 10.1016/j.wear.2019.01.103.

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15.3 研削・研磨加工

 2019年中は,本会論⽂集,精密⼯学会誌,砥粒加⼯学会誌に21編,また,欧文誌ASME J. Manuf. Sci. and Eng., Int. J. Mach. Tools and Manuf., Prec. Eng., CIRP Annalsに54編,計75編の研削研磨加⼯に関する研究論⽂が掲載された.その内訳は,研削加⼯31編,研磨加⼯30編,ワイヤソーやアブレシブジェットなどその他砥粒加工14編である.

 研削加工分野では,研削現象の解明,砥石・ドレッサの開発・特性評価,様々な被削材に対する加工・評価に関する研究が行われている.研削現象に関しては,ロータリ型インフィード平面研削メカニズム(1)研削抵抗の振動遷移(2),砥石内液供給の冷却効果(3)やエネルギー効率に対する加工液供給の影響(4)などの研究が行われている.砥石に関する研究では,光ファイバの鏡面加工用砥石の加工特性(5)とメタルボンド砥石のモデルベース製造(6)が行われ,ドレッシングに関する研究では,ドレス条痕の影響(7)砥粒サイズ・分布を制御したドレッサの評価(8)などが行われている.また,様々な被削材に対しては,GaN基板のテープ研削(9),光学ガラスBK7のカップホイール研削による亜表面損傷評価(10),Ti-6Al-4Vチタン合金研削時の表面粗さと研削砥石摩耗のオンラインモニタリング(11)などの研究が行われている.

 研磨加工分野では,固定砥粒遊離砥粒による研磨方法,紫外線や電気などによる援用加工,研磨モデルに関する基礎研究などが行われている.研磨方法に関しては,高能率鏡面研磨砥粒の開発(12),ダイヤモンドシートを用いたガラス基板の固定砥粒研磨(13)ラッピング加工におけるスラリー挙動(14),凝集コロイドセリアスラリーによる石英ガラス基板のCMP特性(15)などの研究が行われている.また,援用加工では,平面磁気研磨における磁極の傾斜の影響(16),光触媒を用いた紫外線励起研磨 (17)(18),β-Ga2O3(100)基板の化学機械研磨における化学作用の影響(19),電解化学研磨(EGCP)における銅のエッチング挙動に及ぼす第二銅イオン濃度の影響(20)などの研究が行われている.モデル化などの基礎研究では,二軸ホイール研磨における表面トポグラフィと表面粗さのモデリングと予測(21),プレストンの法則と離散要素法に基づく振動仕上げ加工の材料除去のモデル(22),計算機制御の超精密研磨のための材料除去プロファイルのモデリングと調査(23)などが行われている.

 上記分野の他に,樹脂コーティングワイヤを用いたワイヤソーによるSiC高精度加工(24),アブレシブジェットマシニングについては研摩材の粘弾性が研摩材加工の入口効果に及ぼす影響(25)加工精度を高めるアプローチ(26),マイクロマシニングへの応用(27)(28)などの研究が行われている.

〔尾嶌 裕隆,周 立波 茨城大学〕

参考文献

(1)石橋憲, 月井裕太, 蛯名雄太郎, 周立波, 清水淳, 山本武幸, 小貫哲平, 尾嶌裕隆, ロータリ型インフィード平面研削メカニズムに関する研究, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.1 (2019), pp.31–35.
(2)山本優, Anand NAMBIAR, 松本耕, 塚本真也, 大橋一仁, 円筒研削加工における研削抵抗の振動の遷移に関する研究, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.6 (2019), pp.303–308.
(3)松原光作, 土村潤, 豊川澄斗, 笹原弘之, 小径砥石によるコーナ部内面研削における砥石内液供給の冷却効果に関する研究, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.10 (2019), pp.528–533.
(4)C. Heinzel and B. Kolkwitz, The Impact of fluid supply on energy efficiency and process performance in grinding, CIRP Annals, Vol.68 (2019), DOI: 10.1016/j.cirp.2019.03.023.
(5)奈良健太, 鹿野祐樹, 津田雄一郎, 菜嶋理, 松浦寛, 遠藤春男, 斎藤修, 光ファイバ端面の鏡面加工における再生熱可塑性樹脂砥石の加工特性, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.9 (2019), pp.478–483.
(6)B. Denkena, T. Grove, F. Kempf, P. Dzierzawa, A. Bouabid, Y. Liu, Model-based manufacturing and application of metal-bonded grinding wheels, CIRP Annals, Vol.68 (2019), DOI: 10.1016/j.cirp.2019.04.088.
(7)市原浩一, ドレス条痕の砥石真円度への影響および多条ドレス原理と研削効果, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.7 (2019), pp.365–371.
(8)A. Spampinato, D. Axinte, P. Butler-Smith, Profiled rotary dresser with controlled size and distribution of abrasive grits: Performance assessment, CIRP Annals, Vol.68 (2019), DOI: 10.1016/j.cirp.2019.04.064.
(9)鷹巣良史, 嶋田慶太, 水谷正義, 厨川常元, 単結晶窒化ガリウム(GaN)基板の高速高精度加工法の開発 ―紫外線援用テープ研削法の提案―, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.11 (2019), pp.569–574.
(10)A. Solhtalab, H. Adibi, A. Esmaeilzare, S. M. Rezaei, Cup wheel grinding-induced subsurface damage in optical glass BK7: An experimental, theoretical and numerical investigation, Precision Engineering, Vol.57 (2019), DOI: 10.1016/j.precisioneng.2019.04.003.
(11)D. Nguyen, S. Yin, Q. Tang, P. X. Son, L. A. Duc, Online monitoring of surface roughness and grinding wheel wear when grinding Ti-6Al-4V titanium alloy using ANFIS-GPR hybrid algorithm and Taguchi analysis, Precision Engineering, Vol.57 (2019), DOI: 10.1016/j.precisioneng.2018.09.018.
(12)藤本俊一, 篠崎颯典, 山田洋平, 池野順一, 島本時治, 高能率鏡面研磨用砥粒(MeCCA)の開発, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.1 (2019), pp.36–41.
(13)畝田道雄, 馬野公宜, ダイヤモンドシートを用いたガラス基板の固定砥粒研磨の研究 ―クーラント種による研磨レートの評価とその影響分析―, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.10 (2019), pp.522–527.
(14)諏訪部仁, 廣川健悟, 石川憲一, ラッピング加工における格子溝定盤上のミリバブルスラリー挙動, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.6 (2019), pp.309–314.
(15)K. Wakamatsu, S. Kurokawa, T. Toyama, T. Hayashi, CMP characteristics of quartz glass substrate by aggregated colloidal ceria slurry, Precision Engineering, Vol.57 (2019), DOI: 10.1016/j.precisioneng.2019.06.014.
(16)村田修一, 川久保英樹, 平面磁気研磨における回転磁極の軸傾斜が研磨性能と断面形状に及ぼす影響, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.5 (2019), pp.238–244.
(17)田中武司, 滝沢優, 畑彰宏, 光触媒を用いた紫外線励起研磨 ―4H-SiCの研磨面粗さの微小化と酸化物除去の追究―, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.12 (2019), pp.630–637.
(18)田中武司, 滝沢優, 畑彰宏, 光触媒とCathilonを用いた紫外線励起研磨, 精密工学会誌, Vol.85, No.5 (2019), pp.432–439.
(19)C. Huang, H. Zhou, Y. Zhu, C. Xia, Effect of chemical action on the chemical mechanical polishing of β- Ga2O3(100)substrate, Precision Engineering, Vol.57 (2019), DOI: 10.1016/j.precisioneng.2018.11.013.
(20)K. Wang, Y. Yan, P. Zhou, K. Shi, D. Guo, Effect of cupric ion concentration on the etching behavior of copper in Electrogenerated Chemical Polishing (EGCP), Precision Engineering, Vol.57 (2019), DOI: 10.1016/j.precisioneng.2018.08.009.
(21)A. Lu, T. Jin, Q. Liu, Z. Guo, M. Qu, H. Luo, M. Han, Modeling and prediction of surface topography and surface roughness in dual-axis wheel polishing of optical glass, International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol.137 (2019), DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2018.10.001
(22)Y. Makiuchi, F. Hashimoto, A. Beaucamp, Model of material removal in vibratory finishing, based on Preston’s law and discrete element method, CIRP Annals, Vol.68 (2019), DOI: 10.1016/j.cirp.2019.04.082
(23)L. Ren, G. Zhang, L. Zhang, Z. Zhang, Y. Huang, Modelling and investigation of material removal profile for computer controlled ultra-precision polishing, Precision Engineering, Vol.57 (2019), DOI: 10.1016/j.precisioneng.2018.08.020.
(24)諏訪部仁, 溝田勇飛, 石川憲一, 樹脂コーティングワイヤを用いたマルチワイヤソーによるSiCの高精度加工, 砥粒加工学会誌, Vol.63, No.2 (2019), pp.93–98.
(25)H. Wei, X. Wang, H. Gao, C. Peng, X. Wang, A Study on the Influences of Abrasive Media’s Viscoelasticity on Entrance Effect in Abrasive Flow Machining, Journal of Manufacturing Science and Engineering, Vol.141, No.6 (2019), DOI: 10.1115/1.4043454
(26)Z. Guo, T. Jin, G. Xie, A. Lu, M. Qu, Approaches enhancing the process accuracy of fluid jet polishing for making ultra-precision optical components, Precision Engineering, Vol.57 (2019), DOI: 10.1016/j.precisioneng.2018.08.021.
(27)A. Ghazavi, M. Papini, An inverse method for the abrasive jet micro-machining of high aspect ratio channels of desired topography – Part I, theory, Precision Engineering, Vol.57 (2019), DOI: 10.1016/j.precisioneng.2019.05.003.
(28)A. Ghazavi, M. Papini, An inverse method for the abrasive jet micro-machining of high aspect ratio channels of desired topography – Part II, experiments, Precision Engineering, Vol.57 (2019), DOI: 10.1016/j.precisioneng.2019.05.004.

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15.4 電気・化学加工

 2019年に主要学術誌に掲載された,電気・化学加工に関する主な研究論文の内容を紹介する.

 放電加工分野においては,基礎研究や現象解明に関する内容と放電加工を用いた実用的な内容に大きく分けることができる.基礎研究では,放電電流波形をノコギリ波・三角波などの任意形状の波形とし,同一エネルギーを用いた場合,波形の形状によって除去効率が異なることを報告している(1).放電遅れ時間について,同一条件であれば電極材料によって放電遅れ時間が異なり,電極材料の仕事関数が影響していることを報告している(2).最近の現象解明には,高速度ビデオカメラを用いた加工雰囲気を観察した内容が多い.放電加工時の極間に介在する気泡や加工屑を観察し,気泡が加工屑を排出するのに支配的であることを示しており(3),加工穴深さが深くなることで気泡挙動が変化し,気泡の排出が滞ることで加工屑の蓄積を報告している(4)ワイヤ放電加工における内容として,ワイヤ変位を2次元で測定しシミュレーションと組み合わせることで,放電反力と3次元のワイヤ挙動の計測を実現している(5).実用的な内容では,つり下げ電極を用いた放電加工法の曲がり穴加工の可能性を検討し,振動と傾斜動作を組み合わせることでチタン合金に対して種々の角度の屈折穴を加工している(6).また,TiO2とZn粉末を混入させた電極を製作し,この電極を用いた表面改質が試みられている(7).マイクロ放電加工も多く報告されており,材料表面の特性が放電加工特性に影響すると報告している(8).また,高電気抵抗のシリコンを電極として用いた場合,放電痕直径を小さくすることができ,直径1μm未満の軸成形することに成功している(9).軸成形において既に発表済であるが,走査放電加工法を用いた微小径軸成形について報告されている(10).多結晶ダイヤモンド(PCD:Poly Crystalline Diamond)への応用として,PCD金型の創製(11)放電加工を用いたPCD砥石のドレッシング(12),両極性パルス放電を用いた加工特性(13)について報告されている.

 電解加工分野においては,加工効率などを向上させるために様々な手法が考案されている.電極と被加工物とのジャンプ動作に加え,スタンプする(近づける)新たな手法によって極間に介在する気泡と加工屑を効果的に排出し,加工効率の向上が報告されている(14).また,電解液にガスを混入させた手法によって加工効率の向上が報告されている(15).さらに,同一電極を用い,放電加工および電解加工の加工モードを切り替える新たな手法が提案されている(16).シミュレーションを用いた内容は,電解液流れ場の特性を明らかにし,シミュレーション結果を実際の観察によって検証している(17).また,曲がり角における気泡,電解液流れなど複数の要因を考慮した電流密度分布をシミュレーションし,実験によって検証している(18).さらに,電解液ジェットの向きと被加工物の曲率を考慮したシミュレーションを用いることで,非対称の電解液流れの電流密度分布を明らかにしている(19)

 一方,電解放電加工(ECDM:Electro-Chemical Discharge Machining)分野においては,電解放電加工によって仕上げた軸を用い,貫通穴の熱影響の調査(20)やワイヤ表面の凹凸が局所的に電界を強めていると報告している(21).また,超音波振動を援用することで,極間の加工屑が適切に排出されることが報告されている(22)

〔平尾 篤利 新潟大学〕

参考文献

(1)石川敦士,国枝正典,電流波形が放電加工の単発放電痕に及ぼす影響,精密工学会誌,Vol. 85,No. 8(2019),pp. 717-721,DOI:10.2493/jjspe.85.717
(2)Jiajing TANG,Xiaodong YANG,Masanori KUNIEDA,Study on Influence of Tool Electrode Material on Discharge Delay Time in EDM,精密工学会誌,Vol. 85,No. 11(2019),pp. 988-993,DOI:10.2493/jjspe.85.988
(3)Guodong Li,Wataru Natsu,Zuyuan Yu,Investigation of Depth-dependent Characteristics in Micro EDM Drilling Based on Direct Inter-electrode Area Observation,International Journal of Electrical Machining,Vol. 24(2019)pp. 33-38,DOI:10.2526/ijem.24.33
(4)Guodong Li,Wataru Natsu,Zuyuan Yu,Study on quantitative estimation of bubble behavior in micro hole drilling with EDM,International Journal of Machine Tools and Manufacture,Vol. 142(2019)pp. 1-15,DOI:10.1016/j.ijmachtools.2019.103437
(5)Kazuki SHIBATA,Masanori KUNIEDA,In-Process Simulation of Wire Electrode Displacement in WEDM using Optical Sensor,精密工学会誌,Vol. 85,No. 10(2019),pp. 879-884,DOI:10.2493/jjspe.85.879
(6)山口篤,太田浩平,李碩勛,岡田晃,つり下げ電極を用いた放電加工による曲がり穴加工法の開発,精密工学会誌,Vol. 85,No. 4(2019),pp. 359-364,DOI:10.2493/jjspe.85.359
(7)Akihiro GOTO,Minoru DOHI,Hiroshi FUJIWARA,Study on Transfer of Insulating Material with Discharge Pulses,International Journal of Electrical Machining,Vol. 24(2019)pp. 1-6,DOI:10.2526/ijem.24.1
(8)Qingyu Liu,Qinhe Zhang,Min Zhang,Fazhan Yang,Kamlakar P. Rajurkar,Effects of surface layer of AISI 304 on micro EDM performance,Precision Engineering,Vol. 57(2019)pp. 195-202,DOI:10.1016/j.precisioneng.2019.04.006
(9)Tomohiro Koyano,Yuki Sugata,Akira Hosokawa,Tatsuaki Furumoto,Micro-electrical discharge machining of micro-rods using tool electrodes with high electrical resistivity,Precision Engineering,Vol. 55(2019)pp. 95-100,DOI:10.1016/j.precisioneng.2018.08.013
(10)Atsutoshi Hirao,Takayuki Tani,Hiromitsu Gotoh,Naotake Mohri,Relationship between electrode diameter and wear ratio in scanning electrical discharge machining,International Journal of Electrical Machining,Vol. 24(2019)pp. 7-12,DOI:10.2526/ijem.24.7
(11)笠井慎平,袖平智樹,閻紀旺,炭素拡散反応を用いた形彫り放電加工による多結晶ダイヤモンドの3次元形状創製,電気加工学会誌,Vol. 53,No. 132(2019),pp. 5-11
(12)黒澤智子,閻紀旺,多結晶ダイヤモンド円盤工具を用いた単結晶SiCの放電研削複合加工,電気加工学会誌,Vol. 53,No. 132(2019),pp. 12-18
(13)南久,渡邉幸司,増井清徳,両極性パルスによる焼結ダイヤモンドの放電加工電気加工学会誌,Vol. 53,No. 134(2019),pp. 200-206
(14)Miyuki Nakamura,Masanori Kunieda,Study of precision ECM in stationary electrolyte using stamp flushing method,CIRP Annals – Manufacturing Technology,Vol. 68,No. 1(2019)pp. 173-176,DOI:10.1016/j.cirp.2019.04.103
(15)Jung-Chou Hung,Jheng-Hong Liu,Zhi-Wen Fan,Fabrication of microscale concave and grooves through mixed-gas electrochemical jet machining,Precision Engineering,Vol. 55(2019)pp. 310-321,DOI:10.1016/j.precisioneng.2018.09.020
(16)Wei Han,Masanori Kunieda,A novel method to switch machining mode between Micro-ECM and Micro-EDM using oxide film on surface of tungsten electrode,Precision Engineering,Vol. 56(2019)pp. 455-465,DOI:10.1016/j.precisioneng.2019.02.002
(17)Guixian Liu,Yongjun Zhang,Wataru Natsu,Influence of electrolyte flow mode on characteristics of electrochemical machining with electrolyte suction tool,International Journal of Machine Tools and Manufacture,Vol. 142(2019)pp. 66-75,DOI:10.1016/j.ijmachtools.2019.04.010
(18)Hongping Luo,Dahai Mi,Wataru Natsu,Characteristics of ECM polishing influenced by workpiece corner feature and electrolyte flow,Precision Engineering,Vol. 56(2019)pp. 330-342,DOI:10.1016/j.precisioneng.2019.01.003
(19)Yonghua Zhao,Masanori Kunieda,Investigation on electrolyte jet machining of three-dimensional freeform surfaces,Precision Engineering,Vol. 60(2019)pp. 42-53,DOI:10.1016/j.precisioneng.2019.06.009
(20)Julfekar Arab,Harindra Kumar Kannojia,Pradeep Dixit,Effect of tool electrode roughness on the geometric characteristics of through-holes formed by ECDM,Precision Engineering,Vol. 60(2019)pp. 437-447,DOI:10.1016/j.precisioneng.2019.09.008
(21)Tarlochan Singh,Akshay Dvivedi,Rajendra Kumar Arya,Fabrication of micro-slits using W-ECDM process with textured wire surface: An experimental investigation on kerf overcut reduction and straightness improvement,Precision Engineering,Vol. 59(2019)pp. 211-223,DOI:10.1016/j.precisioneng.2019.05.008
(22)Kapil Pawariya,Akshay Dvivedi,Tarlochan Singh,On performance enhancement of electrochemical discharge trepanning (ECDT)process by sonication of tool electrode,Precision Engineering,Vol. 56(2019)pp. 8-19,DOI:10.1016/j.precisioneng.2018.08.016

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15.5 エネルギービーム加工

 エネルギービーム加工には,レーザ加工電子ビーム加工イオンビーム加工などがあるが,ここでは主にレーザ加工について概説する.“レーザ加工”と一言で言っても,レーザ加工機によって発振形態(連続またはパルス)やパルス幅,波長,出力などが異なることから,加工したい材料に対して適切なレーザ加工機加工条件の選定が,加工精度や加工品質の鍵となる.また,高出力化や短パルス化,短波長化などレーザ発振器の開発も進んでおり,レーザ応用の研究は多種多様である.今回は,主にCIRP Annals, 精密工学会誌,砥粒加工学会誌,日本機械学会論文集などに投稿された20編の研究論文や,速報性の高い学術講演会(The 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP2019), 38th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO2019), レーザ加工学会講演会,精密工学会学術講演会)のProceedingsや講演論文集などを調べた.

 昨年の報告にもあるが,2019年も付加製造法(Additive Manufacturing (AM))に関する研究報告が多く見られた.生産加工に関する世界的な国際会議である第69回CIRP総会において,レーザ加工に関する講演はセッションE (Electro-Physical and Chemical Processes)で発表されたが,22件の講演のうち半分の11件がレーザ加工に関する研究報告であり,そのうち8件がAMに関連する内容であった.マイクロ・ナノ加工(The 20th International Symposium on Laser Precision Microfabrication (LPM2019))とマクロ加工(The 8th International Symposium on High Power Laser Processing (HPL2019))の両方を扱う国際会議であるLAMP2019では,AMについて,4セッション,レーザ加工分野でも歴史のある国際会議であるICALEO2019では6セッションが設けられており,AM技術開発への関心が高いことが分かる.エネルギ熱源としてレーザを用いるAMは,Laser Additive Manufacturing (LAM)と呼ばれており,LAMには,粉末層にレーザを選択的に照射して粉末を溶融・凝固させる工程を繰り返していくSelective Laser Melting (SLM)とレーザ集光部(溶融池)に粉末を供給しながら粉末を溶融・凝固させ皮膜を形成していくLaser Metal Deposition (LMD)がある.これらの加工には,一般に高出力レーザが使われており,ガスタービン部品の高温部品への応用(1),数kWの近赤外レーザによる指向性エネルギ体積法を応用したポーラス金属造形手法の提案(2)などがある.また,出力が10W以下の紫外レーザを用いて異なる硬度のポリマ層造形による20mm未満の補聴器作製への応用(3)や,電子ビームを粉末層に照射して造形した中炭素鋼の機械特性(4)に関する研究報告もある.

 高出力レーザは,他にも溶接や切断等,産業界で広く利用されている.例えば,自動車業界では電気自動車やハイブリッド車の普及により,電気伝導性や熱伝導率が高い銅材への接合の需要が高まっている.一般には近赤外の数百Wから数十kW級の高出力レーザを用いて溶接されるが,銅に対しては反射率が高いことから,近年では,銅に対して吸収率の高い緑や青色のレーザによるAM技術や溶接技術の研究開発が進んでいる(5)-(8).他にも,レーザのビームプロフャイル変更やサイドガス供給技術によるスパッタ減少の効果に関する研究(9)(10)や,ステンレスと炭素繊維強化熱可塑性樹脂の異材接合(11),溶接と切断の両システムを搭載したレーザ加工ロボットの開発(12),部分焼入れなどの熱処理技術(8)(13)(14)などがある.このような加工現象において抱える問題点や加工メカニズムの理解・解明のために,高速度ビデオカメラを用いて直接的に現象を可視化観察する研究も増えてきている(6)(15)(16).また,近年ではレーザ加工分野にもIoT・AIが活用され始めている.例えば,産業応用に向けたレーザ溶接プロセスの深層学習の応用として,加工点をカメラで観測し,その特徴を認識して溶接状態を自動判定する技術開発が行われている(17)

 今回は2019年のレーザ加工研究の動向として高出力レーザによる加工に着目して記述した.短パルスレーザは,例えば,表面微細加工(18)(19)レーザスライシング(20)(21)など,微細加工に利用されている.レーザ微細加工の変遷についてはレーザ加工学会誌(2019年6月号)(22),産業用レーザやその加工技術の変遷についてはレーザ加工学会誌(2019年2月号および10月号)に特集(23)(24)が組まれているので,興味をお持ちの方は参照されたい.

〔山岸 里枝 福岡工業大学〕

参考文献

(1)Shuji Tanigawa, Shuto Tsubota, Masahito Kataoka, Norihiko Motoyama, Development of Additive Manufacturing Technology for Gas Turbine Components, Proceedings of LAMP2019 – the 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing, #19-044.
(2)松本昂士,小池綾,柿沼康弘,小田洋平,水素化チタンを応用した指向性エネルギ体積法によるポーラス金属造形,日本機械学会論文集,Vol.85, No.880 (2019), DOI: 10.1299/transjsme.19-00233
(3)Ludger Overmeyer, Arndt Hohnholz, Oliver Suttmann, Stefan Kaierle, Multi-material laser direct writing of aerosol jet layered polymers, CIRP Annals – Manufacturing Technoloogy 68 (2019), pp.217-220.
(4)Kazuki Itoda, Kenta Aoyagi, Yuichiro Koizumi, Yuki Kawamura, Kazuo Kikawa, Akihiko Chiba, Microstructure and Mechanical Properties of Carbon Steels Fabricated by Selective Electron Beam Melting, Proceedings of LAMP2019 – the 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing, #19-047.
(5)塚本雅裕,青い光が拓く新たな純銅接合・3Dプリンティング技術,DENSO TECHNICAL REVIEW Vol.24 (2019), pp.5-10.
(6)Sato Yuji, Masahiro Tsukamoto, Takahisa Shobu, Yoshinori Funada, Yorihiro Yamashita, Takahiro Hara, Masanori Sengoku, Yu Sakon, Tomomasa Ohkubo, Minoru Yoshida, Nobuyuki Abe, In situ X-ray observations of pure-copper layer formation with blue direct diode lasers, Applied Surface Science, Vol.480, (2019), pp.861-867.
(7)Andress Heider, Lukas Alter, Christoph Bantel, Reiner Ramsayer, Laser welding of copper for e-mobility applications – challenges, limits and strategies using different laser technologies, Program & Technical digest of LAMP2019, (2019), pp.194.
(8)江嶋亮,実用化が進む半導体レーザによる熱処理技術,第92回レーザ加工学会講演論文集(2019.12),pp.113-116.
(9)Peter Kallage, A completely new approach to fiber laser welding of automotive and e-mobility components, Proceedings of LAMP2019 – the 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing, #19-058.
(10)Goran Jovic, Axel Bromann, Johannes Pröll, Stefan Böhm, Laser welding of thin stainless steel parts using modified side-gas application for control of spatter and weld shape, Proceedings of LAMP2019 – the 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing, #19-059.
(11)Kiyokazu Yasuda, Yuki Uchida, Rennosuke Tamura, Takahiro Hara, Yuji Sato, Masahiro Tsukamoto, Laser Metal Bumping with SUS316L Molten Powder Jet for Steel / Carbon Fiber Reinforced Thermoplastics Joint, Proceedings of LAMP2019 – the 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing, #19-015.
(12)中川龍幸,藤原潤司,ダイレクトダイオードレーザを用いた加工システムの新展開,第91回レーザ加工学会講演論文集(2019.6),pp.81-86.
(13)新海洋平,近藤昌樹,廣垣俊樹,青山栄一,ターニングセンタにおけるラインレーザビームを用いた機上焼入れ法の検討,Journal of the Japan Society for Abrasive Technology, Vol.63, No.2 (2019)pp.87-92.
(14)小川圭司,田邉裕貴,中川平三郎,塚田悠人,川上昂人,トップハット分布矩形レーザによる隅角部の焼入れに関する基礎的検討,Journal of the Japan Society for Abrasive Technology, Vol.63, No.4 (2019)pp.178-184.
(15)Youzou Ashida, Ryo Nomura, Takahiro Deguchi, Effects of Oxides Flux on Improvement of Bead Appearances and Prevention of Hot Cracking in High Power Laser Welding, Proceedings of LAMP2019 – the 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing, #19-049.
(16)前田恭兵,鈴木励一,菅哲男,川人洋介,高輝度X線透過装置を用いた動的観察による超ハイテン鋼板の重ねレーザ溶接で発生する遅れ割れ挙動の解明,第91回レーザ加工学会講演論文集(2019.6),pp.55-58.
(17)鷲谷泰佑,坂井哲男,塩見康友,溶接技術への深層学習の応用〜レーザ溶接の加工点モニタリング〜,第92回レーザ加工学会講演論文集(2019.12),pp.23-26.
(18)照井正人,超短パルスレーザによるレーザマイクロテクスチャ加工とその効果,第92回レーザ加工学会講演論文集(2019.12),pp.117-122.
(19)Alejandro San Blas, Ainhara Rodoriguez, Noemi Casquero, Santiage Miguel Olaizola, Miguel Martinez-Calderon, Mikel Gomez-Aranzadi, Fabrication of LIPSS-based metallic polarization gratings, Proceedings of LAMP2019 – the 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing, #19-006.
(20)山田洋平,池野順一,鈴木秀樹,単結晶シリコンの精密レーザスライシング技術,精密工学会誌,Vol.85, No.5 (2019), pp.419-431.
(21)阿部達毅,山田洋平,池野順一,鈴木秀樹,3次元レーザスライシングによるガラス光学素子の作製,精密工学会誌,Vol.85, No.5 (2019), pp.426-425.
(22)一般社団法人レーザ加工学会,レーザ加工学会誌 Vo.26, No.2 (2019), pp.1-32.
(23)一般社団法人レーザ加工学会,レーザ加工学会誌 Vo.26, No.1 (2019), pp.2-23.
(24)一般社団法人レーザ加工学会,レーザ加工学会誌 Vo.26, No.3 (2019), pp.1-36.

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15.6 工作機械

 2019年に発表された工作機械に関する学術論文について紹介する.

 工作機械本体に関する論文として,パイプフレーム構造の検討(1),結合部動特性のモデル化と同定(2)工作機械の設置作業におけるレベリングに関する研究(3)(4)工作機械内の減衰効果のシミュレーションに関する研究(5),駆動速度と誤差の関係を用いた評価法(6)などが挙げられる.また工具および工作物まで含めた研究として,薄肉工作物動剛性の機上測定(7)薄肉工作物の加工最適化(8),大形薄肉工作物へ設置するびびり抑制ユニット(9)工具剛性の影響の解明(10)(11)工具変形の予測と補正(12)も挙げられる.

 主軸系の高度化に関する研究として,電磁アクチュエータ組込みによるびびり振動抑制(13),超音波振動工具ホルダの制御(14),変位計組込みによる力計測(15)加速度計による振動及び加工力のモニタリング(16)などセンサの組み込みによる情報化と関連したものが多い.また高速主軸における熱的―構造的相互作用の研究(17),圧電式予圧調整機構の内蔵(18)主軸構造材料へのCFRP適用(19)なども報告されている.

 位置決め系の高度化に関する研究として,ボールねじバックラッシの同定法(20)ボールねじの熱変形補償(21),2つのモータを用いた低速送りの誤差抑制(22),予張力を与えたボールねじ機構の解析(23),外乱オブザーバを用いた象限突起の抑制(24), セミアクティブ結合部の適用(25),軌跡指令値修正による追従誤差の補償(26)サーボモータ送り軸との慣性モーメント比による影響(27)(28),材料改質によるボールねじの長寿命化(29),実時間動特性同定に基づく高精度位置決め(30),円弧補間工具経路の誤差推定(31)などが挙げられる.

 また近年その重要性が増している5軸加工に対しても,運動精度と加工形状との間の感度解析(32),精度状態モニタリング(33),ノルムを用いた輪郭加工時の制御最適化(34)工具姿勢の決定方法(35),実加工による回転軸の幾何誤差の同定法(36),回転軸位置への熱的影響の同定法(37),取り付け誤差を補正した自動取り付け(38),5軸制御加工パスの決定法(39),高精度な実時間内挿法(40),5軸制御機によるベベルギアの加工(41)など様々な観点から研究が行われている.

 一方,注目すべき傾向として,輪郭誤差の検出と補正(42)複合加工機における切削工具の認識(43)びびり加工面の画像処理による状態推定(44)など画像センサを用いた研究が増加している.これは近年の撮像デバイスおよび画像処理技術の発展により,様々なアプローチが可能となったことに起因すると考えられる.

〔吉岡 勇人 東京工業大学〕

参考文献

(1)鈴木 直彦, 森本 喜隆, 金子 義幸, 廣崎 憲一, 岡崎 祐一,パイプフレーム構造CNC旋盤の開発,精密工学会誌,Vol.85, No.2 (2019), pp.189-196.
(2)Yin, Q., Dong, G., Yin, G., Heng, L., Wang, L., Research on modeling and identification of machine tool joint dynamic characteristics, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, Vol.13, No.3 (2019), doi. 10.1299/jamdsm.2019jamdsm0046
(3)Mori, K., Kono, D., Matsubara, A., A robust level error estimation method for machine tool installation, Precision Engineering, Vol.58 (2019), pp.70-76.
(4)Liu, H., Wu, J., Liu, K., Kuang, K., Luo, Q., Liu, Z., Wang, Y., Pretightening sequence planning of anchor bolts based on structure uniform deformation for large CNC machine tools, International Journal of Machine Tool and Manufacture, Vol.136 (2019), pp.1-18.
(5)Rebelein, C., Zaeh, F. M., Semm, T., Predictive simulation of damping effects in machine tools, CIRP Annals, Vol.68, No.1 (2019), pp.393-396.
(6)Otsuki, T., Sasahara, H., Sato, R., Method to evaluate speed and accuracy performance of CNC machine tools by speed-error 2-D representation, Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, Vol.13, No.1 (2019), doi: 10.1299/jamdsm.2019jamdsm0022
(7)Kono, D., Umezu, T., On-machine measurement method for dynamic stiffness of thin-walled workpieces, Precision Engineering, Vol.60 (2019), pp.299-305.
(8)Tunc, T. L., Zatarain, M., Stability optimal selection of stock shape and tool axis in finishing of thin-wall parts, CIRP Annals, Vol.68, No.1 (2019), pp.401-404.
(9)Beudaert, X., Erkorkmaz, K., Munoa, J., Portable damping system for chatter suppression on flexible workpieces, CIRP Annals, Vol.68, No.1 (2019), pp.423-426.
(10)藤瀬憲則, 水野敬太, 糸魚川文広, 則久孝志,チタン合金の旋削加工における工具寿命に影響を与える動的工具支持特性,精密工学会誌,Vol.85, No.5 (2019), pp.440-446.
(11)藤瀬憲則, 水野敬太, 糸魚川文広,チタン合金のミリング加工における板ばね構造ミリング工具が耐欠損性に与える影響,精密工学会誌,Vol.85, No.5 (2019), pp.447-454.
(12)西田勇, 白瀬敬一,工具系の弾性変形に起因する加工誤差の予測結果に基づく加工誤差補正,精密工学会誌,Vol.85, No.1 (2019),pp.91-97.
(13)Wan, S., Li, X., Su, W., Yuan, J., Hong, J., Jin, X., Active damping of milling chatter vibration via a novel spindle system with an integrated electromagnetic actuator, Precision Engineering, Vol.57 (2019), pp.203-210.
(14)Gao, J., Caliskan, H., Altintas, Y., Sensorless control of a three-degree-of-freedom ultrasonic vibration tool holder, Precision Engineering, Vol.58 (2019), pp.47-56.
(15)Brecher, C., Eckel, H-M., Motschke, T., Fey, M., Epple, A., Estimation of the virtual workpiece quality by the use of a spindle-integrated process force measurement, CIRP Annals, Vol.68, No.1 (2019), pp.381-384.
(16)Postel, M., Aslan, D., Wegener, K., Altintas, Y., Monitoring of vibrations and cutting forces with spindle mounted vibration sensors, CIRP Annals, Vol.68, No.1 (2019), pp.413-416.
(17)Liu, J., Ma, C., Wang, S., Wang, S., Yang, B., Shi, H., Thermal-structure interaction characteristics of a high-speed spindle- bearing system, International Journal of Machine Tool and Manufacture, Vol.137 (2019), pp.42-57.
(18)Ciou, Y. S., Lee, C. Y., Controllable preload spindle with a piezoelectric actuator for machine tools, International Journal of Machine Tool and Manufacture, Vol.139 (2019), pp.60-63.
(19)Kono, D., Mizuno, S., Muraki, T., Nakaminami, M., A machine tool motorized spindle with hybrid structure of steel and carbon fiber composite, CIRP Annals, Vol.68, No.1 (2019), pp.389-392.
(20)Sato, R., Sensor-less estimation of positioning reversal value for ball screw feed drives, Precision Engineering, Vol60 (2019), pp.116-120.
(21)Zapłata, J., Pajor, M., Piecewise compensation of thermal errors of a ball screw driven CNC axis, Precision Engineering, Vol.60 (2019), pp.160-166.
(22)Wang, Z., Feng, X., Du, F., Li, H., Su, Z., A novel method for smooth low-speed operation of linear feed systems, Precision Engineering, Vol.60 (2019), pp.215-221.
(23)Zhang, W., Zhang, X., Zhang, J., Zhao, W., Analysis of lead screw pre-stretching influences on the natural frequency of ball screw feed system, Precision Engineering, Vol.57 (2019), pp.30-44.
(24)Ohashi, T., Shibata, H., Futami, S., Sato, R., Quadrant glitch compensation by a modified disturbance observer for linear motor stages, Precision Engineering, Vol.59 (2019), pp.18-25.
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15.7 工具および工作機器

 2019年に発表された切削加工や研削加工に用いられる工具および加工機器に関連する論文を調査した.調査対象は和文誌から日本機械学会論文集,精密工学会誌,砥粒加工学会誌,英文誌からJournal of Advanced Mechanical Design, Systems and Manufacturing誌,Precision Engineering誌,ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering誌,International Journal of Machine Tools and Manufacture誌,CIRP annals誌などとし,今回は選択基準をやや広めにとって94件の論文リストを作成した.他節との重複があるかと思われるがご容赦いただきたい.

 切削工具について,産業界からの需要が高い切削加工の生産性や加工品質向上をはじめ,難削材料加工に関連する研究をはじめ,切削加工中の切削抵抗切削点近傍温度分布の解析といった基礎研究を含め67件の論文を抽出した.このうち,超音波振動や低周波振動を援用して切削点温度の低減,工具寿命の改善,あるいは仕上げ面品質の向上を目指した研究が15件を数えた(1)-(15).中には工具の振動によって加工面表面に微細凹凸をつけることによる加工面表面のトライボロジー特性制御に関する研究(7),干渉発色による模様付けを行う研究(9)といった特徴ある研究も見られた.また振動応用とはやや毛色が異なるが,チタンの切削加工に対する工具の剛性の影響を調査し,それを積極的に応用した工具チッピング抑制を報告している論文(3)(4)も見られた.それに続いて最近普及が著しいマイクロエンドミル,マイクロドリル加工に関する研究(16)-(29)が14件で,基礎的な切削性能試験結果を報告する論文を始め,小径工具特有の回転運動特性を検討した論文(28)や,小径工具先端の機上形成に関する論文(29)などが見られた.工具へのコーティング,テクスチャ付与,表面処理や刃先形状改良による切削性向上に関する論文は13件(30)-(42)であり,中では工具刃先にニックを形成することによって切削性を改善する論文(38)(40)が見られた.チタン合金やニッケル基耐熱合金などの難削材料の切削レーザ加熱や液体窒素,液化炭酸ガスを利用した冷却を適用して工具寿命の改善や生産性向上を達成したとする論文が12件(43)-(54)あり,中では冷却と微量の潤滑(MQL)を併用した論文(40)や,液体窒素による冷却効果についてCFDとFEMを併用した解析を実施している論文(50)が見られた.切削現象解析分野では8件の論文があり(55)-(62)切削点で生じた熱エネルギーの工具被削材切りくずへの分配に関する解析(56)切削工具先端に熱電対を形成して工具温度分布の計測を行っている論文(59)などが見られた.ものづくり現場のIoT推進のための加工点付近の物理データ収集や工具形状の機上計測(63)-(65),あるいはAIやビッグデータを利用した加工条件最適化といった論文(66)(67)が見られた.

 研削研磨加工の分野では,窒化ガリウム,炭化ケイ素,サファイアなどの次世代半導体材料の高能率・高精度加工に関する研究が7件(68)-(73)あり,その中でも紫外線などの光照射を援用した研削加工に関する研究(71)-(73)が見られた.さらに,研削砥石の摩耗や研削状態の機上計測に関する論文(75)-(78)が4件見られ,計測した砥石の摩耗量に基づいた補正による研削加工精度向上に関する論文(77)が見られた.そのほか新規の加工法や研削研磨工具に関する研究(78)-(86)が8件見られ,中には特殊な形状の電着工具を利用したCFP穴あけ加工に関する論文(83)や金網を樹脂で埋めたラップ工具に関する研究(82)などが見られた.

 加工機器関連では8件の論文(87)-(94)があり,マシンビジョンを利用した工具形状や加工面の計測とその補正への応用に関する論文(87)のほか,超精密加工における機上計測に関するレビュー論文(92)や,産業用ロボットに回転主軸を装着したフライス穴あけ加工に関する論文(93)(94)が注目された.

 産業界では将来の輸送機器の電動化に伴って切削加工部品が4割減少するといった悲観的な見通しがある反面,自動化に必要なロボットで用いられる減速機等の精密部品の需要が拡大するという見方もある.さらにアディティブマニュファクチャリングに代表される新規生産方法の普及など,生産加工技術の周辺環境が激変する中で,加工形状・寸法精度,表面仕上げ,コストなどの面から切削加工,研削加工が消滅するようなことはなく,将来に渡って重要な地位を占め続けるものと考えられる.また環境負荷低減や省エネルギーの観点から,耐熱合金や複合材料などの難削材料の使用が今後さらに増大するとの予測があり,切削加工に求められる機能が更に高度になることが予想される.それに対応するためには,これまでに蓄積されてきた生産現場の熟練技能に加えて,切削加工中の工具,材料の物理的・化学的状態の解明とその解析結果に基づく理論的なアプローチ,一方でFEMなどのコンピュータシミュレーション解析によるアプローチの両方が不可欠となると思わる.その意味で今回調査した論文でも切削実験とシミュレーション解析の併用による検討が多く見られ,今後もこの傾向が続いていくと考えられる.将来の工具,加工機器研究のために本節の情報が役立てば幸いである.

〔酒井 克彦 静岡大学〕

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15.8 加工計測

 ここでは主に,工作機械の運動誤差評価,工具形状評価,および加工物の形状評価などに関連する計測技術・手法をレビューする.他節との重複があるかもしれないが,2019年の加工計測に関する論文は,本会論文集に4編,精密工学会誌に6編,JAMDSMに5編,Precision Engineeringに41編,Int. J. Mech. Tools and Manuf. に6編,CIRP Annals-Manufacturing Technologyに23編を数えた.

 工作精度向上への要求の高まりを受け,トラッキング干渉計を用いた温度変形評価(1)レーザトラッカを用いたVolumetric error評価(2),Ball-bar評価(3),直進軸運動誤差に基づく空間精度の推定(4),加速度センサを利用した多軸加工機の真直度誤差評価(5)など工作機械の運動誤差等の評価に関する報告がなされるとともに,様々な加工機における機上計測インプロセス計測手法が提案されている.例えば,ロールtoロール加工機におけるシートメタルの粗さ計測(6),熱電効果を利用した深絞り加工における工具摩耗のインラインモニタリング(7)レーザ励起蛍光を利用した切削工具機上計測(8)歯車研削時の研削面温度計測(9)などの報告があった.また,ワーク加工中に得られる情報を利用した計測手法として,スピンドル内蔵の変位センサあるいは加速度センサを用いた加工力測定(10)(11),薄肉ワーク剛性のオンマシン評価(12)などが報告されている.なお,これらの手法は,機上計測インプロセス計測など様々な技術用語で表現されるが,これら用語についての系統的な整理がなされている(13)

 また,昨今のIoT技術の進化に伴い,機械学習の活用が各技術分野で広まっているが,機上計測インプロセス計測においてもその導入例が報告され始めている.例えば,AEセンサによる深絞り加工インプロセス評価(14),うず電流センサアレイを用いたCFRP材の欠陥評価(15)切削力を利用した工具摩耗推定(16)に機械学習を取り入れた例などが報告されている.また,画像検査技術を中心に機械学習を取り入れる例が増えており,びびり加工面の画像処理に基づく加工機および工具の状態推定(17),画像と工作機械状態パラメータを併用した機械学習による工具状態推定(18),画像プロセシングによるAdditive manufacturing(AM)オンライン欠陥評価(19)なども報告されている.加工中に得られたセンサ情報を含む工作機械の状態データをビッグデータとして活用した状態モニタリング,機械学習による加工条件最適化などが今後も拡大していくものと予想される.なお,IoT技術に関連して,ブロックチェーン技術をトレーサビリティ体系に導入する新たな概念についても提案がなされている(20)

 加工物の形状計測に広く用いられる3次元座標測定機(CMM)については,不確かさの伝播則をもとにホールプレート基準を用いて不確かさを評価し,モンテカルロ法と比較した結果が報告されるとともに(21),基準球を利用してプローブ球の形状誤差を評価する手法(22),スキャニングプローブによるプロファイル計測の誤差評価(23)などが報告されている.また,最近の潮流として,非接触3次元計測についての検討が数多くなされており,レーザトラッカを用いた3次元大範囲計測とその不確かさ評価(24),光学スキャナによるタービン翼の測定(25)などが報告されている.また,3次元形状計測に関するトレンドの1つであるX線CTを⽤いた計測技術(26)についても報告が多く,不確かさ解析(27),評価基準片の提案(28)などに加え,AM加工物の表面粗さ評価(29)機械加工したCFRP材内部の欠陥評価(30)など,アプリケーションについての報告も出始めている.

 幾何形状・位置決め・運動誤差計測については,合成法による真直度評価(31),スピンドルのランアウト計測(32),3プローブ法に基づくプロファイル計測手法(33)など,知的精密計測の手法に基づく提案がなされるとともに,2軸スケールを用いた3次元エンコーダ(34),CMMやラインレーザを用いた歯車のプロファイル計測手法(35)(36)などが開発されている.また,2軸ロイドミラー干渉計による大面積マイクロ構造体の一括露光(37),タルボットナノ構造リソグラフィー(38)などで加工される3次元微細構造体の幾何形状計測についても,測定レンジの拡大および分解能の向上が求められており,SEM (39)AFM(40)を用いた大面積計測手法が提案されるとともに,微細幾何形状,回折限界を超えるサイズの微細構造や欠陥を評価する手法として,WGM共振を利用したマイクロスケール標準球評価(41),回折限界を超える溝幅を有するマイクロ溝の溝深さ定量評価(42),Optical probeによる欠陥検出(43),ニアフィールド顕微鏡によるウエハスクラッチ解析(44),メトロロジーAFMによる表面粗さ測定レンジの拡充(45)などが報告されている.さらに,ナノステレオリソグラフィーにおいてエバネッセント光を利用しインプロセスでの露光状態評価を実現した例(46)も報告されている.このように,光学式手法に立脚した新たな加工計測技術の進展が今後も続くものと予想される.

 なお,これら報告の多数について,不確かさの伝播則やモンテカルロ法をもとにした,いわゆるGUM(47)に基づく理論的不確かさ評価が含まれている.新たな計測手法を提案する場合には不確かさ解析が必須となりつつあることが伺われる.

〔清水 裕樹 東北大学〕

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